微生物代谢工业微生物学.ppt
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1、关于微生物的代谢工业微生物学第一张,PPT共七十九页,创作于2022年6月第一节第一节第一节第一节 代谢概论代谢概论代谢概论代谢概论 简称代谢(简称代谢(简称代谢(简称代谢(metabolismmetabolism),是营养物质在生物体内所经历的一切化),是营养物质在生物体内所经历的一切化),是营养物质在生物体内所经历的一切化),是营养物质在生物体内所经历的一切化学变化的总称学变化的总称学变化的总称学变化的总称 代谢代谢分解代谢分解代谢分解代谢分解代谢(catabolism)(catabolism)合成代谢合成代谢合成代谢合成代谢(anabolism)(anabolism)复杂分子复杂分子(有
2、机物)(有机物)分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子ATPATPH一、新陈代谢一、新陈代谢 第二张,PPT共七十九页,创作于2022年6月 能量是使自然界中各种活动得以进行的一种能力,所有的物理和化能量是使自然界中各种活动得以进行的一种能力,所有的物理和化能量是使自然界中各种活动得以进行的一种能力,所有的物理和化能量是使自然界中各种活动得以进行的一种能力,所有的物理和化学过程都是能量应用或转移的结果。学过程都是能量应用或转移的结果。学过程都是能量应用或转移的结果。学过程都是能量应用或转移的结果。二、能量二、能量 微生物代谢过程中的能量来源主要为有机物的氧化(分解代谢)微生物代谢
3、过程中的能量来源主要为有机物的氧化(分解代谢)微生物代谢过程中的能量来源主要为有机物的氧化(分解代谢)微生物代谢过程中的能量来源主要为有机物的氧化(分解代谢)、无机物的氧化、光。、无机物的氧化、光。、无机物的氧化、光。、无机物的氧化、光。能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务,能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务,能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务,能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务,是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切是生物体如何把外界环境中的多种形式
4、的最初能源转换成对一切是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源生命活动都能使用的通用能源生命活动都能使用的通用能源生命活动都能使用的通用能源-ATP-ATP。第三张,PPT共七十九页,创作于2022年6月最初最初最初最初能源能源能源能源有机物有机物有机物有机物还原态无机物还原态无机物还原态无机物还原态无机物日光日光日光日光化能异养微生物化能异养微生物化能异养微生物化能异养微生物化能自养微生物化能自养微生物化能自养微生物化能自养微生物光能营养微生物光能营养微生物光能营养微生物光能营养微生物通用能源通用能源通用能源通用能源(ATPATP)光光光光有机物氧化
5、有机物氧化有机物氧化有机物氧化无机物氧化无机物氧化无机物氧化无机物氧化第四张,PPT共七十九页,创作于2022年6月 氧化还原反应是电子从一个供体(还原剂)转移至一个电子受氧化还原反应是电子从一个供体(还原剂)转移至一个电子受氧化还原反应是电子从一个供体(还原剂)转移至一个电子受氧化还原反应是电子从一个供体(还原剂)转移至一个电子受体(氧化剂)的反应。在生物化学中,氧化还原通常不仅仅只是转体(氧化剂)的反应。在生物化学中,氧化还原通常不仅仅只是转体(氧化剂)的反应。在生物化学中,氧化还原通常不仅仅只是转体(氧化剂)的反应。在生物化学中,氧化还原通常不仅仅只是转移电子,有时也转移氢原子,因为在细
6、胞氧化中,电子和质子可以移电子,有时也转移氢原子,因为在细胞氧化中,电子和质子可以移电子,有时也转移氢原子,因为在细胞氧化中,电子和质子可以移电子,有时也转移氢原子,因为在细胞氧化中,电子和质子可以同时失去,这就相当于失去氢原子。同时失去,这就相当于失去氢原子。同时失去,这就相当于失去氢原子。同时失去,这就相当于失去氢原子。三、氧化还原反应三、氧化还原反应 氧化氧化还还原原对对E0(氧化氧化还还原原电势电势)2H+2e H2Fe3+e Fe2+NAD(P)+H+e NAD(P)HS 2H+2e H2SFAD 2H+2e FADH2Cyt b(Fe3+)e Cyt b(Fe2+)Cyt c(Fe
7、3+)e Cyt b(Fe2+)NO3 2H+2e NO2 H2ONO2 8H+6e NH4 2H2OFe3+e Fe2+O2 4H+4e 4H2O0.420.420.320.2740.180.0750.2540.4210.440.7710.815第五张,PPT共七十九页,创作于2022年6月 三磷酸腺苷(三磷酸腺苷(三磷酸腺苷(三磷酸腺苷(ATPATP)在细胞代谢的能量流通中扮演着)在细胞代谢的能量流通中扮演着)在细胞代谢的能量流通中扮演着)在细胞代谢的能量流通中扮演着“能量货能量货能量货能量货币币币币”的重要角色,它作为能量的载体参与代谢途径中能量的储存、的重要角色,它作为能量的载体参与代
8、谢途径中能量的储存、的重要角色,它作为能量的载体参与代谢途径中能量的储存、的重要角色,它作为能量的载体参与代谢途径中能量的储存、释放和转移。释放和转移。释放和转移。释放和转移。四、四、ATP及产生及产生ATP的三种磷酸化反应的三种磷酸化反应 生物体具有三种磷酸化方式产生生物体具有三种磷酸化方式产生ATP:1 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 高能磷酸基团直接从磷酸化合物(底物)转移到高能磷酸基团直接从磷酸化合物(底物)转移到ADP而形成而形成ATP。2 氧化磷酸化氧化磷酸化 电子通过一系列电子载体(电子通过一系列电子载体(NAD+等)被转给分子氧或其他有等)被转给分子氧或其他有机分子时发生磷酸化而
9、产生机分子时发生磷酸化而产生ATP。3 光合磷酸化光合磷酸化 光合磷酸化只存在于能进行光合作用的细胞中。把所捕获光合磷酸化只存在于能进行光合作用的细胞中。把所捕获到的光能通过电子传递链转化为以到的光能通过电子传递链转化为以ATP和和NADH形式储存形式储存的化学能。的化学能。第六张,PPT共七十九页,创作于2022年6月第二节第二节第二节第二节 糖代谢糖代谢糖代谢糖代谢多糖和二糖不能直接透过微生物的细胞膜进入细胞。一般需要微生物分泌多糖和二糖不能直接透过微生物的细胞膜进入细胞。一般需要微生物分泌多糖和二糖不能直接透过微生物的细胞膜进入细胞。一般需要微生物分泌多糖和二糖不能直接透过微生物的细胞膜
10、进入细胞。一般需要微生物分泌胞外酶将其水解成单糖才能进入细胞被利用。胞外酶将其水解成单糖才能进入细胞被利用。胞外酶将其水解成单糖才能进入细胞被利用。胞外酶将其水解成单糖才能进入细胞被利用。一、糖的分解代谢和产能一、糖的分解代谢和产能 1.多糖和二糖的分解多糖和二糖的分解(1)(1)淀粉的分解淀粉的分解淀粉的分解淀粉的分解 :淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等(2)(2)纤维素和半纤维素的分解纤维素和半纤维素的分解纤维素和半纤维素的分解纤维素和半纤维素的分解 天然纤维素天然纤维素天然纤维素天然纤维素C1酶酶 短链纤维素短链纤维
11、素短链纤维素短链纤维素Cx酶酶 纤维寡糖纤维寡糖纤维寡糖纤维寡糖纤维二糖纤维二糖纤维二糖纤维二糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-葡萄糖糖苷酶葡萄糖糖苷酶 葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖半纤维素可以通过木聚糖酶等复合酶水解成单糖。半纤维素可以通过木聚糖酶等复合酶水解成单糖。第七张,PPT共七十九页,创作于2022年6月(3)(3)果胶的分解果胶的分解果胶的分解果胶的分解 果胶由半乳糖醛酸以果胶由半乳糖醛酸以果胶由半乳糖醛酸以果胶由半乳糖醛酸以-1,4-1,4糖苷键形成的直链状高分子化合物。糖苷键形成的直链状高分子化合物。糖苷键形成的直链状高分子化合物。糖苷键形成的直链状高分子化合物。果胶酶主要有三种:果胶裂
12、解酶、果胶甲酯水解酶和果胶聚半乳糖果胶酶主要有三种:果胶裂解酶、果胶甲酯水解酶和果胶聚半乳糖果胶酶主要有三种:果胶裂解酶、果胶甲酯水解酶和果胶聚半乳糖果胶酶主要有三种:果胶裂解酶、果胶甲酯水解酶和果胶聚半乳糖醛酸酶。醛酸酶。醛酸酶。醛酸酶。(4)(4)二糖的分解二糖的分解二糖的分解二糖的分解 蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等能被微生物分解利用。蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等能被微生物分解利用。蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等能被微生物分解利用。蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等能被微生物分解利用。微生物分解利用二糖有两种方式:微生物分解利用二糖有两种方式:微生物分解利用二糖有两种方式:微生物分解利用二
13、糖有两种方式:一是水解酶将其水解为单糖一是水解酶将其水解为单糖一是水解酶将其水解为单糖一是水解酶将其水解为单糖;另一种是由相应的磷酸化酶将其分解。另一种是由相应的磷酸化酶将其分解。另一种是由相应的磷酸化酶将其分解。另一种是由相应的磷酸化酶将其分解。第八张,PPT共七十九页,创作于2022年6月1)蔗糖的分解)蔗糖的分解许许多微生物多微生物细细胞能胞能够够分泌蔗糖水解分泌蔗糖水解酶酶:蔗糖蔗糖+H2O 蔗糖水解蔗糖水解酶酶 葡萄糖葡萄糖 果糖果糖在嗜糖假在嗜糖假单单胞菌中由蔗糖磷酸化胞菌中由蔗糖磷酸化酶酶催化蔗糖磷酸化反催化蔗糖磷酸化反应应:蔗糖蔗糖+H3PO4 蔗糖磷酸化蔗糖磷酸化酶酶 葡萄糖
14、葡萄糖-1-磷酸磷酸 果糖果糖2)麦芽糖的分解)麦芽糖的分解麦芽糖麦芽糖+H2O 麦芽糖水解麦芽糖水解酶酶 2葡萄糖葡萄糖麦芽糖麦芽糖+H3PO4 麦芽糖磷酸化麦芽糖磷酸化酶酶 葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸 葡萄糖葡萄糖3)乳糖的分解)乳糖的分解乳糖乳糖+H2O -半乳糖苷半乳糖苷酶酶 葡萄糖葡萄糖+半乳糖半乳糖4)纤维纤维二糖的分解二糖的分解纤维纤维二糖是在二糖是在纤维纤维二糖磷酸化二糖磷酸化酶酶的催化下分解的。的催化下分解的。纤维纤维二糖二糖+H3PO4 纤维纤维二糖磷酸化二糖磷酸化酶酶 葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸 葡萄糖葡萄糖第九张,PPT共七十九页,创作于2022年6月2.单单糖的分解和
15、糖的分解和产产能能 葡萄糖作为典型的生物氧化底物其分解的主要途径包括:葡萄糖作为典型的生物氧化底物其分解的主要途径包括:葡萄糖作为典型的生物氧化底物其分解的主要途径包括:葡萄糖作为典型的生物氧化底物其分解的主要途径包括:EMPEMP途径、途径、途径、途径、EDED途径、途径、途径、途径、TCATCA循环、循环、循环、循环、HMPHMP途径。每条途径既有产生多途径。每条途径既有产生多途径。每条途径既有产生多途径。每条途径既有产生多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能,又有脱氢、种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能,又有脱氢、种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能,又有
16、脱氢、种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能,又有脱氢、产能的功能。产能的功能。产能的功能。产能的功能。(1)(1)葡萄糖的分解和产能葡萄糖的分解和产能葡萄糖的分解和产能葡萄糖的分解和产能 (2)(2)呼吸和发酵呼吸和发酵呼吸和发酵呼吸和发酵 在生物体中,葡萄糖经上述的多种途径分解后,产生在生物体中,葡萄糖经上述的多种途径分解后,产生在生物体中,葡萄糖经上述的多种途径分解后,产生在生物体中,葡萄糖经上述的多种途径分解后,产生NAD(P)H+HNAD(P)H+H+经过呼吸链(或称电子传递链)等方式进行递氢,最终与受氢体(氧、经过呼吸链(或称电子传递链)等方式进行递氢,最终与受氢体(氧、经
17、过呼吸链(或称电子传递链)等方式进行递氢,最终与受氢体(氧、经过呼吸链(或称电子传递链)等方式进行递氢,最终与受氢体(氧、无机或有机氧化物)结合,以释放其化学潜能。根据递氢特别是受氢无机或有机氧化物)结合,以释放其化学潜能。根据递氢特别是受氢无机或有机氧化物)结合,以释放其化学潜能。根据递氢特别是受氢无机或有机氧化物)结合,以释放其化学潜能。根据递氢特别是受氢过程中过程中过程中过程中氢受体性质氢受体性质氢受体性质氢受体性质的不同,可以把生物氧化区分成的不同,可以把生物氧化区分成的不同,可以把生物氧化区分成的不同,可以把生物氧化区分成有氧呼吸有氧呼吸有氧呼吸有氧呼吸、无氧呼无氧呼无氧呼无氧呼吸吸
18、吸吸和和和和发酵发酵发酵发酵三种类型。三种类型。三种类型。三种类型。第十张,PPT共七十九页,创作于2022年6月有氧呼吸:底物分解产生的氢,经完整的呼吸链(有氧呼吸:底物分解产生的氢,经完整的呼吸链(有氧呼吸:底物分解产生的氢,经完整的呼吸链(有氧呼吸:底物分解产生的氢,经完整的呼吸链(RC respirarory chainRC respirarory chain,又称电子传,又称电子传,又称电子传,又称电子传递链递链递链递链ETC electron transport chainETC electron transport chain)递氢,最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量()递氢,
19、最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量()递氢,最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量()递氢,最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量(ATPATP)的过程。)的过程。)的过程。)的过程。无氧呼吸:底物按常规途径脱氢后,经部分呼吸链递氢,最无氧呼吸:底物按常规途径脱氢后,经部分呼吸链递氢,最无氧呼吸:底物按常规途径脱氢后,经部分呼吸链递氢,最无氧呼吸:底物按常规途径脱氢后,经部分呼吸链递氢,最终由氧化态的无机物或有机物受氢,并完成氧化磷酸化产能终由氧化态的无机物或有机物受氢,并完成氧化磷酸化产能终由氧化态的无机物或有机物受氢,并完成氧化磷酸化产能终由氧化态的无机物或有机物受氢,并完成氧化磷酸化产能反
20、应。反应。反应。反应。发酵:在无氧条件下,底物脱氢后不经过呼吸链传递而直发酵:在无氧条件下,底物脱氢后不经过呼吸链传递而直发酵:在无氧条件下,底物脱氢后不经过呼吸链传递而直发酵:在无氧条件下,底物脱氢后不经过呼吸链传递而直接将其交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能接将其交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能接将其交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能接将其交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应反应反应反应 。生物氧化生物氧化第十一张,PPT共七十九页,创作于2022年6月1)1)有氧呼吸(有氧呼吸(有氧呼吸(有氧呼吸(aerobic respiration)aer
21、obic respiration)指从葡萄糖或其它有机基质脱下的电子(氢)经过一系列电子载体最终指从葡萄糖或其它有机基质脱下的电子(氢)经过一系列电子载体最终指从葡萄糖或其它有机基质脱下的电子(氢)经过一系列电子载体最终指从葡萄糖或其它有机基质脱下的电子(氢)经过一系列电子载体最终传递给外源分子氧并产生较多传递给外源分子氧并产生较多传递给外源分子氧并产生较多传递给外源分子氧并产生较多ATPATP的生物氧化过程。的生物氧化过程。的生物氧化过程。的生物氧化过程。以氧气以外的氧化型化合物作为最终电子受体以氧气以外的氧化型化合物作为最终电子受体以氧气以外的氧化型化合物作为最终电子受体以氧气以外的氧化型
22、化合物作为最终电子受体有氧呼吸(有氧呼吸(有氧呼吸(有氧呼吸(aerobic respirationaerobic respiration):):):):无氧呼吸(无氧呼吸(无氧呼吸(无氧呼吸(anaerobic respirationanaerobic respiration):):):):以以以以分子氧分子氧分子氧分子氧作为最终电子受体作为最终电子受体作为最终电子受体作为最终电子受体是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式。是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式。是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式。是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主
23、要的产能方式。有氧呼吸和无氧呼吸的区别有氧呼吸和无氧呼吸的区别有氧呼吸和无氧呼吸的区别有氧呼吸和无氧呼吸的区别第十二张,PPT共七十九页,创作于2022年6月A.A.电子传递链:电子传递链:电子传递链:电子传递链:由一系列按氧化还原电位由由一系列按氧化还原电位由低到高低到高顺序排列起来的顺序排列起来的氢氢(电子电子)传递体组成。传递体组成。原核生物呼吸链在细胞膜上,真核生物的呼吸链位于线粒体内膜原核生物呼吸链在细胞膜上,真核生物的呼吸链位于线粒体内膜原核生物呼吸链在细胞膜上,真核生物的呼吸链位于线粒体内膜原核生物呼吸链在细胞膜上,真核生物的呼吸链位于线粒体内膜但呼吸链的主要成分是类似的。但呼吸
24、链的主要成分是类似的。但呼吸链的主要成分是类似的。但呼吸链的主要成分是类似的。两个功能:两个功能:两个功能:两个功能:1 1)传递氢或电子;)传递氢或电子;)传递氢或电子;)传递氢或电子;2 2)储存氢或电子传递过程释放的能量,用于合成)储存氢或电子传递过程释放的能量,用于合成)储存氢或电子传递过程释放的能量,用于合成)储存氢或电子传递过程释放的能量,用于合成ATPATP;又称又称“呼吸链呼吸链”当一对电子通过呼吸链从当一对电子通过呼吸链从当一对电子通过呼吸链从当一对电子通过呼吸链从NADHNADH传递至传递至传递至传递至OO2 2的过程中,释放自由能的部的过程中,释放自由能的部的过程中,释放
25、自由能的部的过程中,释放自由能的部位有三处即产生位有三处即产生位有三处即产生位有三处即产生3 ATP 3 ATP,P/O=3P/O=3。NAD(P)FP Fe.S CoQ Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a 3 O2 ATP ATP ATP第十三张,PPT共七十九页,创作于2022年6月原核生物呼吸链的特点原核生物呼吸链的特点原核生物呼吸链的特点原核生物呼吸链的特点:多样化多样化多样化多样化除了除了除了除了葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖或其它有机基质外,或其它有机基质外,或其它有机基质外,或其它有机基质外,HH2 2、S S、FeFe2+2+、NHNH4 4+、NONO-2 2等都可用作
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